Numerical simulation and modelling of entropy noise in nozzle and turbine stator flows

par Ariane Emmanuelli

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Sébastien Ducruix.

Le président du jury était Christophe Bailly.

Le jury était composé de Friedrich Bake, Franck Nicoud, François Vuillot, Maxime Huet.

Les rapporteurs étaient Friedrich Bake, Franck Nicoud.

  • Titre traduit

    Simulation numérique et modélisation du bruit entropique à travers une tuyère et un stator de turbine


  • Résumé

    L'étude du bruit de combustion est motivée par l'augmentation de sa contribution relative au bruit émis par les moteurs aéronautiques actuels, ainsi que par son impact sur la conception de chambres de combustion à basse émission de NOx. Le bruit entropique est une source de bruit de combustion indirect générée par l'accélération de perturbations entropiques à travers les tuyères et les étages de turbine à l'aval de la chambre de combustion. Cette étude porte sur la simulation numérique et la modélisation du bruit entropique à travers une tuyère et un stator de turbine. Dans un premier temps, le bruit entropique est simulé dans une tuyère avec un code CAA (Computational AeroAcoustics) afin de valider un modèle 2D existant sous des hypothèses similaires. Les niveaux de bruit entropique et de diffusion acoustique obtenus par les deux méthodes sont en accord. Leur comparaison au bruit estimé par des modèles compacts et 1D montre que les effets bi-dimensionnels sont significatifs. De plus, de la vorticité induite par l'accélération de perturbations entropiques est identifiée, mais celle-ci ne contribue pas significativement au bruit généré. Une géométrie de stator de turbine haute pression est ensuite étudiée en 2D. Le modèle pour les tuyères 2D est étendu à ces configurations, héritant de certaines de ses hypothèses. L'étude de celles-ci montre que l'impact de la vorticité et des variations azimutales des fluctuations acoustiques, négligées par le modèle, est significatif. Ces hypothèses devront être relaxées lors de développements futurs. Les calculs CAA permettent également de caractériser la génération de bruit entropique sous hypothèses simplificatrices avec à la fois des champs porteurs Euler et RANS. Une étude plus approfondie du cas RANS est nécessaire pour sa validation, ainsi que pour mieux comprendre le rôle de la couche limite dans la génération du bruit entropique. Enfin, un canal de stator est étudié par des calculs ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) afin d'examiner les effets 3D et visqueux sur le bruit généré. La tri-dimensionnalité de l'écoulement est mise en évidence et les perturbations sont post-traitées en portant une attention particulière au filtrage des fluctuations hydrodynamiques et aux réflexions en parois. Les résultats obtenus par la CAA et la ZDES sont comparables, ce qui indique que la tri-dimensionnalité et la viscosité de l'écoulement ont un effet limité sur le bruit entropique généré dans un stator de turbine.


  • Résumé

    The investigation of combustion noise is motivated by its growing relative contribution to the noise emitted by modern turbofan engines overall, as well as its effect on low NOx emission combustor design. Entropy noise is a source of indirect combustion noise, which is generated by the acceleration of heterogeneities, in this case entropy, downstream of the combustion chamber. This study consists of the investigation of entropy noise in nozzle and turbine stator flow using both analytical and numerical methods. Nozzle flow is considered first. A Computational AeroAcoustics (CAA) reference case is built for the validation of an existing two-dimensional semi-analytical model developed under similar assumptions. The levels of entropy noise and acoustic scattering estimated using both methods are in good agreement. Two-dimensional effects on entropy noise are highlighted, notably by comparison with compact and 1D models. In addition, vorticity induced by the acceleration of entropy noise is evidenced, but it yields negligible vortex sound. Next, the focus is shifted to a 2D high-pressure turbine stator. The 2D model for nozzle flow is extended to this configuration, inheriting some of its main assumptions. Their investigation, using CAA in particular, sets the path for future developments and allows insight to be gained into the role of both vorticity and azimuthal variation of acoustics, which are neglected by the model. CAA also allows to characterise entropy noise generation in 2D stator flow under simplifying assumptions, using Euler and RANS mean flows. Further investigation is needed to validate the RANS case and to fully understand the effect of boundary layers on entropy noise generation. Finally, entropy noise is simulated using Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES) in a stator channel in order to investigate 3D and viscous effects on entropy noise. The three-dimensionality of the flow is highlighted and acoustic signals are carefully post-processed, ensuring hydrodynamic perturbations are correctly filtered and boundary reflections are minimised. The closeness of noise levels obtained using CAA and ZDES suggest three-dimensional and viscous effects have a limited impact on the entropy noise generated in turbine stator flow.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : CentraleSupélec. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.